《過程設備設計》壓力容器設計目錄4.1概述4.2設計準則4.3常規(guī)設計4.4分析設計4.5疲勞分析4.6壓力容器設計技術進展概述11.什么是壓力容器設計？概述2.應綜合考慮那些因素？結構設計：確定合理、經(jīng)濟的結構形式，滿足制造、檢驗、

裝配、運輸和維修等要求。強（剛）度設計：確定結構尺寸，滿足強度或剛度及穩(wěn)定性

要求，以確保容器安全可靠地運行。密封設計：選擇合適的密封結構和材料，保證密封性能良好。安全是前提，經(jīng)濟是目標，在充分保證安全的前提下盡可能做到經(jīng)濟。安全性主要是指結構完整性和密封性。經(jīng)濟性包括高的效率、原材料的節(jié)省、經(jīng)濟的制造方法、低的操作和維修費用等。安全性與經(jīng)濟性的統(tǒng)一設計要求設計文件：強度計算書或者應力分析報告設計圖樣制造技術條件風險評估報告（適用于第Ⅲ類壓力容器或設計委托方要求時）安裝及使用維修說明書（必要時應包括）設計的表現(xiàn)形式，是設計者的勞動體現(xiàn)設計文件AS1210-2010對設計者和制造者的職責提出要求，建立規(guī)范化的風險評價系統(tǒng)，對相應的風險評價檔案建立、維護和信息共享提出要求。風險評價檔案要求包括：設備參數(shù)；可能出現(xiàn)的危害識別；對風險出現(xiàn)的可能性、可能造成的后果及總體危害的評估；風險控制；其他管理、變動情況記錄和認證。風險評估報告AS1210-2010中給出的壓力容器風險評估表范例分析風險：根據(jù)設計條件，全面分析可能出現(xiàn)的風險。規(guī)避風險：盡可能采取措施消除或規(guī)避風險。控制風險：通過設計手段控制風險水平，消除或減輕風險的影響。提供使用指導：向壓力容器用戶提供足夠的信息，保證容器安全使用。建立應急預案：針對可能出現(xiàn)的破壞形式，給出發(fā)生破壞時應該采取的措施，便于制定合適的應急預案。在相應標準中給設計者一個規(guī)范化的風險評價系統(tǒng)，內容如下：容器基本設計參數(shù)主要操作條件工況所有在設計工況條件下有可能發(fā)生的危害對于標準中已規(guī)定的失效模式，說明采用標準的條款對于標準中沒有規(guī)定的失效模式和計算方法，說明設計中關于載荷和相應安全系數(shù)的考慮介質的性質，發(fā)生危害時的處理措施根據(jù)人員可能傷及情況，規(guī)定合適的人員防護設備對于其他建造、安裝、使用等環(huán)節(jié)失效模式的風險控制風險評估的方法和內容包括設計條件、所用規(guī)范和標準、材料、腐蝕裕量、計算厚度、名義厚度、計算結果等。裝設安全泄放裝置的壓力容器，還應計算壓力容器安全泄放量、安全閥排量和爆破片泄放面積。設計計算書設計圖樣總圖零部件圖壓力容器名稱、類別，設計、制造所依據(jù)的主要法規(guī)、標準；工作條件；設計條件；主要受壓元件材料牌號及標準；主要特性參數(shù)（如容積、換熱器換熱面積與程數(shù)等）；壓力容器設計壽命（又稱壓力容器設計使用年限，疲勞容器標明循環(huán)次數(shù)）；特殊制造要求；熱處理要求；無損檢測要求；預防腐蝕要求；耐壓試驗和泄漏試驗要求；安全附件的規(guī)格和訂購特殊要求；壓力容器銘牌的位置；包裝、運輸、現(xiàn)場組焊和安裝要求；以及其它特殊要求。總圖應注明：設計條件壓力容器應根據(jù)設計委托方以正式書面形式提供的設計條件進行設計。設計委托方可以是壓力容器的使用單位（用戶）、制造單位、工程公司或者設計單位自身的工藝室等。設計條件至少包含以下內容：操作參數(shù)（包括工作壓力、工作溫度范圍、液位高度、接管載荷等）；壓力容器使用地及其自然條件（包括環(huán)境溫度、抗震設防烈度、風雪載荷等）；介質組分和特性（介質學名或分子式、密度和危害性等）；預期使用年限（設計委托方提出預期使用期限，設計者應當與委托方進行協(xié)商，根據(jù)壓力容器使用工況、選材、安全性和經(jīng)濟性合理確定壓力容器的設計壽命）；幾何參數(shù)和管口方位（常用容器結構簡圖表示，示意性地畫出容器本體與幾何尺寸、主要內件形狀、接管方位、支座形式等）；設計需要的其他必要條件（包括選材要求、防腐蝕要求、表面、特殊試驗、安裝運輸要求等）。設計條件圖攪拌容器條件圖塔器條件圖換熱器條件圖容器基本條件圖換熱器條件圖：應注明換熱管規(guī)格、管長及根數(shù)、排列形式、換熱面積與程數(shù)等；塔器條件圖：應注明塔型（板式塔或填料塔）、塔板數(shù)量及間距、基本風壓和地震設計烈度和場地土類別等；攪拌容器條件圖：應注明攪拌器形式、轉速及轉向、軸功率等。設計準則2失效形式失效判據(jù)（選擇）設計準則（相應）設計是否合理（判別）設計準則什么是失效

？壓力容器失效壓力容器在規(guī)定的服役環(huán)境和壽命內，因尺寸、形狀或者材料性能變化而危及安全或者喪失規(guī)定功能的現(xiàn)象，稱為壓力容器失效。極限狀態(tài)它是一種結構狀況。超過極限狀態(tài)，壓力容器就失效。極限狀態(tài)可分為：1、終極極限狀態(tài)：與爆破、垮塌或者其他能危及生命安全的結構失效模式有關的結構狀態(tài)，與安全有關。

壓力容器失效一、壓力容器失效模式2、可用極限狀態(tài)：指超過它后部件所規(guī)定的功能指標就不再滿足的結構狀態(tài)，與功能有關。如影響容器使用的變形或者位移，影響容器有效使用、但并不危及安全或者引起不可接受的環(huán)境污染的泄漏等。極限狀態(tài)失效不失效安全運行壓力容器超過極限狀態(tài)就失效。極限狀態(tài)終極極限狀態(tài)可用極限狀態(tài)爆破、斷裂屈曲泄漏（危及安全或環(huán)境污染）過度變形泄漏（不危及安全或環(huán)境污染）強度失效屈曲失效泄漏失效剛度失效壓力容器失效模式a.塑性垮塌——是指在單調加載條件下壓力容器因過量總體塑性變形而不能繼續(xù)承載導致的破壞。——因材料屈服或斷裂引起的壓力容器失效，包括：（a）塑性垮塌、（b）局部過度應變、（c）脆性斷裂、

（d）疲勞、（e）棘輪、（f）蠕變、（e）腐蝕等。（1）強度失效特征：破壞后有肉眼可見的宏觀變形，如整體鼓脹，周長伸長率可

達10～50%，破口處壁厚顯著減??；沒有碎片，或偶有少量

碎片；按實測厚度計算的爆破壓力與實際爆破壓力相當接近。塑性垮塌的原因：壁厚過薄、超壓過?。孩傥唇?jīng)正確的設計計算；②因腐蝕、沖蝕等原因而減薄。超壓：操作失誤、液體受熱膨脹、化學反應失控等。嚴格按照標準進行設計、制造，配備相應的超壓釋放裝置，遵循有關規(guī)定進行運輸、安裝、使用、檢驗和檢測可避免壓力容器在設計壽命內發(fā)生塑性垮塌b.局部過度應變——是指壓力容器結構不連續(xù)處因材料延性耗盡而產(chǎn)生的裂紋或者撕裂。在三向拉應力作用下，材料韌性（斷裂應變）會下降。在壓力容器結構不連續(xù)區(qū)，如螺紋根部，有可能在容器沒有塑性垮塌前，就因材料延性耗盡產(chǎn)生裂紋而失效。c.脆性斷裂——指壓力容器未經(jīng)明顯的塑性變形而發(fā)生的斷裂。這種斷裂是在較低應力水平下發(fā)生的，斷裂時的應力遠低于材料強度極限，故又稱為低應力脆斷。特征：斷裂時容器沒有明顯膨脹，即無明顯的塑性變形；其斷口齊平，并與最大主應力方向垂直；斷裂速度極快，易形成碎片。材料選用不當、焊接與熱處理工藝不合理使材料脆化；低溫、高壓氫環(huán)境、中子輻照等也會使材料脆化；壓力容器用鋼一般韌性較好，但若存在嚴重的原始缺陷（如原材料的夾渣、分層、折疊等）、制造缺陷（如焊接引起的未熔透、裂紋等）或使用中產(chǎn)生的缺陷，也會導致脆性斷裂發(fā)生。脆性斷裂的原因：材料脆性和缺陷由于脆性斷裂時容器的實際應力值往往很低，爆破片、安全閥等安全附件不會動作，其后果要比塑性垮塌嚴重得多。d.疲勞——在交變載荷作用下，容器在應力集中部位產(chǎn)生局部的永久性損傷，并在一定載荷循環(huán)次數(shù)后形成裂紋或者裂紋進一步擴展至完全斷裂。需要指出，原材料或制造過程中產(chǎn)生的裂紋，也會在交變載荷的反復作用下擴展而導致壓力容器疲勞。交變載荷——指大小和（或）方向都隨時間周期性（或無規(guī)則）變化的載荷。包括運行時的壓力波動、開車和停車、加熱或冷卻時溫度變化引起的熱應力變化、振動引起的應力變化、容器接管引起的附加載荷的交變而形成的交變載荷等。失效形式——“未爆先漏”，破壞需要有一定時間。疲勞破壞——包括裂紋萌生、擴展和最后斷裂三個階段。疲勞斷口——疲勞源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和最終斷裂區(qū)組成。疲勞源區(qū)——通常位于接管根部、焊接接頭等高應力區(qū)或有缺陷的部位。面積較小，色澤光亮。裂紋擴展區(qū)——是疲勞斷口最重要的特征區(qū)域。常呈現(xiàn)貝紋狀，是疲勞裂紋擴展過程中留下的痕跡。最終斷裂區(qū)——裂紋擴展到一定程度時的快速斷裂區(qū)。由剩余截面不能再承受施加的載荷造成的。焊接接頭容易產(chǎn)生應力集中、焊接缺陷、殘余應力和微裂紋。這些因素的綜合作用，使得疲勞成為焊接接頭的主要失效形式之一。疲勞斷裂時容器的總體應力水平較低，斷裂往往在容器正常工作條件下發(fā)生，沒有明顯的征兆，是突發(fā)性破壞，危險性很大。e.棘輪——是指壓力容器由于同時承受恒定載荷和交變載荷作用而產(chǎn)生且按逐個循環(huán)漸增的累積塑性變形。特征：每次加載循環(huán)的前半周和后半周在容器的不同部位（兩個不同

部位的范圍有部分重疊）輪流產(chǎn)生方向相同的塑性變形。各個

循環(huán)產(chǎn)生的塑性變形將逐個累積，直至因產(chǎn)生過量塑性變形而失效。每次載荷均循環(huán)均產(chǎn)生塑性應變——漸增塑性應變(a)第一次循環(huán)(b)第二次加載產(chǎn)生塑性應變(c)第三次加載產(chǎn)生塑性應變f.蠕變——是指在保持應力不變的條件下，應變隨時間延長而不斷增加的現(xiàn)象。長期在高溫下工作，蠕變會導致壓力容器壁厚變薄、直徑增大（鼓脹），甚至造成斷裂。從斷裂前的變形看：具有韌性斷裂特征從斷裂時的應力看：具有脆性斷裂特征g.腐蝕——是指金屬與其周圍介質發(fā)生化學或者電化學作用而產(chǎn)生的破壞現(xiàn)象。韌性斷裂特征：均勻腐蝕導致的厚度減薄，或局部腐蝕造成的凹坑脆性斷裂特征：晶間腐蝕、應力腐蝕（2）剛度失效由于壓力容器的變形大到足以影響其正常工作而引起的失效，如塔受風。（3）屈曲失效在壓應力作用下，壓力容器突然失去其原有的規(guī)則幾何形狀而引起的失效。（4）泄漏失效壓力容器本體或連接件失去密封功能。

危害：可能引起中毒、燃燒和爆炸等事故，造成環(huán)境污染等。交互失效實際中可能同時發(fā)生多種形式的失效。二、失效判據(jù)與設計準則設計思路求得壓力容器在穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)工況下的力學響應（如應力、應變、固有頻率等）壓力容器最可能發(fā)生的失效形式（根據(jù)）確定力學響應的限制值以判斷壓力容器能否安全使用，是否獲得滿意的使用效果（1）失效判據(jù)——描述壓力容器極限狀態(tài)的方程。（2）設計準則——根據(jù)失效判據(jù)，再考慮各種不確定因素，引入安全系數(shù)，得到與失效判據(jù)相對應的設計準則。分類強度失效設計準則剛度失效設計準則屈曲失效設計準則泄漏失效設計準則壓力容器設計先確定最有可能的失效形式選擇合適的失效判據(jù)和設計準則適用的設計標準確定進行設計、校核再按照標準要求強度失效設計準則強度失效的兩種主要形式：屈服斷裂（在常溫、靜載作用下）常用的強度失效設計準則：彈性失效設計準則塑性失效設計準則爆破失效設計準則彈塑性失效設計準則疲勞失效設計準則蠕變失效設計準則脆性斷裂失效設計準則彈性失效設計準則——將容器總體部位的初始屈服視為失效。一、彈性失效設計準則（韌性材料）1、單向拉伸——最大拉應力準則屈服失效的數(shù)學表達試——屈服應力相應的設計準則——許用應力最大拉應力準則——最大拉應力（4-3）

（1）最大切應力準則屈雷斯卡(Tresca)屈服失效判據(jù)/最大切應力屈服失效判據(jù)/第三強度理論（4-4）（4-5）（2）形狀改變比能準則形狀改變比能失效判據(jù)/第四強度理論2、任意應力狀態(tài)彈性失效設計準則統(tǒng)一：3、應力強度或相當應力二、塑性失效設計準則彈性失效設計準則：危險點的應力強度達到許用應力。塑性失效設計準則：整個危險面屈服。彈性失效設計準則：韌性材料各處應力分布均勻，如薄壁容器。依據(jù)應用塑性失效設計準則：韌性材料應力分布不均勻，如厚壁圓筒。1、彈性失效準則與塑性失效準則的對比——理想彈塑性材料，內壓厚壁圓筒（4-6）

——設計壓力——全屈服壓力（4-7）——全屈服安全系數(shù)2、塑性失效設計準則——壓力容器一般具有應變硬化現(xiàn)象爆破壓力大于全屈服壓力三、爆破失效設計準則——容器爆破作為失效叛據(jù)（4-8）爆破失效設計準則：——爆破壓力——爆破安全系數(shù)彈塑性失效設計準則——又稱為安定性準則，認為載荷變化范圍達到安定載荷，容器就失效。應用場合：適用于各種載荷不按同一比例遞增、載荷大小反復變化。初始屈服載荷——最大應力點進入塑性相對應的載荷。四、彈塑性失效設計準則結構經(jīng)過幾次反復加載后，其變形趨于穩(wěn)定或者說不出現(xiàn)漸增塑性變形，則認為結構是安定的。分為彈性安定和塑性安定：彈性安定：結構經(jīng)過初始塑性和最初幾次循環(huán)后，最終在整個截面上呈現(xiàn)彈性循環(huán)響應，即循環(huán)中不出現(xiàn)塑性變形。塑性安定：介于彈性安定和棘輪狀態(tài)之間。經(jīng)幾次循環(huán)后，結構局部區(qū)域發(fā)生循環(huán)反復的塑性變形，但由于被周圍彈性區(qū)包圍，塑性變形不會漸增累積，因而不會導致垮塌，但會導致塑性疲勞。安定載荷——安定和不安定的臨界狀態(tài)相對應的載荷變化范圍。由于超過安定載荷后容器并不立即破壞，工程上安定載荷的安全系數(shù)＝1.0，最大載荷變化范圍≤安定載荷。低周疲勞——每次循環(huán)中材料都將產(chǎn)生一定的塑性應變，疲勞破壞時的循環(huán)次數(shù)較低，一般在105次以下。低周疲勞設計曲線——由試驗及理論得，虛擬應力幅與許用循環(huán)次數(shù)之間的關系曲線。疲勞失效設計準則——最大虛擬應力幅按低周疲勞設計曲線所確定的許用循環(huán)次數(shù)大于容器所需的循環(huán)次數(shù)，容器就不會發(fā)生疲勞失效。斷裂力學理論——帶裂紋的壓力容器疲勞設計準則，即按照疲勞裂紋擴展與斷裂的規(guī)律對循環(huán)載荷作用下的容器作出安全評定。五、疲勞失效設計準則六、蠕變失效設計準則將應力限制在由蠕變極限和持久強度確定的許用應力以內。脆性斷裂——屬于斷裂力學的研究范圍，認為材料中存在缺陷，研究缺陷在載荷和環(huán)境作用下的破壞規(guī)律。斷裂力學應用——（1）指導壓力容器的選材和設計（2）在役壓力容器的安全評定七、脆性斷裂失效設計準則（1）材料——根據(jù)受壓元件的厚度、應力水平、最低金屬溫度、載荷性質、介質對材料韌性的影響等因素，提出材料夏比V形缺口沖擊吸收功或斷裂韌性驗收指標。（2）缺陷——盡量減少焊接接頭；提高無損檢測技術。（3）設計——由無損檢測水平，假設高應力區(qū)存在裂紋，利用斷裂方法進行裂紋安全性評估，確保容器不發(fā)生低應力脆性破壞。防止容器發(fā)生脆性破壞（1）破損安全設計——假設裂紋存在時，結構還能承受工作載

荷——容器裂紋容限問題。（2）先漏后爆設計——材料具有足夠韌性，快速斷裂前，裂紋已

穿透壁厚，導致泄漏發(fā)生，可避免突發(fā)快速斷裂，減少損失。脆性斷裂失效設計準則說明：假設裂紋，真實裂紋（漏檢或在使用中產(chǎn)生）（4-9）剛度失效設計準則在載荷作用下，要求構件的彈性位移和（或）轉角不超過規(guī)定的數(shù)值。屈曲失效設計準則周向屈曲軸向屈曲局部屈曲防止屈曲發(fā)生對于泄漏，常用緊密性（Tightness）這一概念來比較或評價密封的有效性。緊密性用被密封流體在單位時間內通過泄漏通道的體積或質量，即泄漏率來表示。漏與不漏（或零泄漏）是相對于某種泄漏檢測儀器的靈敏度范圍而言的。壓力容器泄漏失效設計準則是指容器發(fā)生的泄漏率(L)不超過允許泄漏率([L])，即L≤[L]。泄漏失效設計準則目錄

4.1概述

4.2設計準則

4.3常規(guī)設計

4.4分析設計

4.5疲勞分析

4.6壓力容器設計技術進展目錄4.3.3封頭設計4.3.4密封裝置設計4.3.5開孔和開孔補強設計4.3.6支座和檢查孔4.3.7安全泄放裝置4.3.2圓筒設計4.3.1概述4.3.8焊接結構設計4.3.9壓力試驗概述1

——“按規(guī)則設計”（DesignbyRules），只考慮單一的最大載荷工況，按一次施加的靜力載荷處理，不考慮交變載荷，也不區(qū)分短期載荷和永久載荷，不涉及容器的疲勞壽命問題。常規(guī)設計應力求解——依據(jù)材料力學及板殼理論，按最大拉應力準則來推導受壓元件的強度尺寸計算公式。校核——受壓元件應力強度

<材料許用應力（強度）<材料許用外壓力（失穩(wěn)）邊緣應力——采用分析設計標準中的有關規(guī)定和思想，確定結構的某些相關尺寸范圍，或由經(jīng)驗引入各種系數(shù)。區(qū)別于分析設計概述一、設計思想采用式（4-4）或式（4-5）較為合理。但對于內壓薄壁回轉殼體，在遠離結構不連續(xù)處，σ3≈0式（4-3）簡單，成熟使用經(jīng)驗，將該式作為設計準則。（4-4）壓力容器材料韌性較好，在彈性失效準則中，（4-5）（4-3）二、彈性失效設計準則第2章應力分析中的厚度t是指實際厚度，與設計中需要確定的厚度并不是同一個概念，因此用δ代替t。內壓薄壁圓筒：周向薄膜應力經(jīng)向薄膜應力D—筒體中面直徑，mm。δ—計算厚度，mm；筒體壁厚計算式為（4-12）中徑公式顯然，σ1=σθ，由式（4-3）（4-10）取等號得徑比K為（4-11）

（Di為筒體內直徑）代入上式，化簡

用，將第2章表2-1中僅受內壓作用時，厚壁圓筒內壁面處的三向應力分量計算式，代入彈性失效設計準則式（4-3）～式（4-5）。表4-2

按彈性失效設計準則的內壓厚壁圓筒強度計算式圖4-1各種強度理論的比較psi為內壁初始屈服時所對應的壓力。psi/σs代表筒體的彈性承載能力。（3）在同一承載能力下，最大切應力準則計算出的壁厚最厚，

中徑公式算出的壁厚最薄。（2）在壁厚較薄時即壓力較低時，各種設計準則差別不大；（1）按形狀改變比能屈服失效判據(jù)——計算出的初始屈服壓力

和實測值最為接近；圓筒設計2單層式組合式優(yōu)點——簡單缺點多層包扎式繞帶式熱套式繞板式整體多層包扎式圓筒設計結構①焊接缺陷檢測和消除困難；結構本身缺乏阻止裂紋快速擴展的能力；②大型鍛件、厚鋼板性能比薄鋼板差，不同方向力學性能差異大，韌脆轉變溫度較高，發(fā)生低應力脆性破壞的可能性也較大；③加工設備要求高。圓筒結構1、結構：2、制造：用裝置將層板逐層、同心地包扎在內筒上；借縱焊縫的焊接收縮力使層板和內筒、層板與層板之間互相貼緊，產(chǎn)生一定的預緊力；筒節(jié)上均開有安全孔——報警。內層——12～25mm的內筒外層——4～12mm的多層層板筒節(jié)筒體深環(huán)焊縫為避免裂紋沿壁厚方向擴展，各層板之間的縱焊縫應相互錯開75°。筒節(jié)的長度視鋼板的寬度而定，層數(shù)則隨所需的厚度而定。一、多層包扎式圖4-2(a)多層包扎筒節(jié)制造工藝簡單，不需大型復雜加工設備；安全可靠性高，層板間隙具有阻止缺陷和裂紋向厚度方向擴展的能力；減少了脆性破壞的可能性；包扎預應力改善筒體的應力分布；對介質適應性強，可選擇合適的內筒材料。3、優(yōu)點：5、應用：目前世界上使用最廣泛、制造和使用經(jīng)驗最為豐富的組合式筒體結構。4、缺點：筒體制造工序多、周期長、效率低、鋼材利用率低（僅60%右）；深環(huán)焊縫對制造質量和安全有顯著影響。①無損檢測困難，環(huán)焊縫的兩側均有層板，無法用超聲檢測，只能射線檢

測；②焊縫部位存在很大的焊接殘余應力，且焊縫晶粒易變得粗大而韌性下降；③環(huán)焊縫的坡口切削工作量大，且焊接復雜。1、結構，制造：采用厚鋼板（厚度>30mm）卷焊成直徑不同但可過盈配合的筒節(jié)，將外層筒節(jié)加熱到計算的溫度進行套合，冷卻收縮后得到緊密貼合的厚壁筒節(jié)。圖4-2(b)熱套筒節(jié)二、熱套式2、優(yōu)點：工序少，周期短，具有包扎式筒體的大多數(shù)優(yōu)點。3、缺點：①筒體要有較準確的過盈量，卷筒的精度要求很高，且套合

時需選配套合；②套合時貼緊程度不很均勻；③套合后，需熱處理以消除套合預應力及深環(huán)焊縫的焊接殘余應力。1、結構：由內筒、繞板層和外筒三部分組成，是在多層包扎式筒體的基礎上

發(fā)展起來的。2、制造：內筒與多層包扎式內筒相同，外層是在內筒外面連續(xù)纏繞若干層

3～5mm厚的薄鋼板而構成筒節(jié)，只有內外兩道縱焊縫，需要2個楔

形過渡段，外筒為保護層，由兩塊半圓或三塊“瓦片”制成。3、優(yōu)點：機械化程度高，制造效率高，材料利用率高（可達90%以上）。4、缺點：中間厚兩邊薄，累積間隙。圖4－2（c）繞板式三、繞板式1、結構：錯開環(huán)縫和采用液壓夾鉗逐層包扎的筒體結構。2、制造:(1)將內筒拼接到所需的長度，兩端焊上法蘭或封頭；

(2)在整個長度上逐層包扎層板，待全長度上包扎好并焊完磨平后再包扎第二層，直至所需厚度。3、優(yōu)點：環(huán)、縱焊縫錯開，筒體與封頭或法蘭間的環(huán)焊縫為一定角度的斜面焊縫，承載面積增大。內筒包扎層板端部法蘭底封頭圖4－3整體多層包扎式厚壁容器筒體四、整體多層包扎式以鋼帶纏繞在內筒外面獲得所需厚度筒壁。兩種結構型槽繞帶式鋼帶錯繞式型槽繞帶式用特制的型槽鋼帶螺旋纏繞在特制的內筒上，端面形狀見圖4-4（a），內筒外表面上預先加工有與鋼帶相嚙合的螺旋狀凹槽。纏繞時，鋼帶先經(jīng)電加熱，再進行螺旋纏繞，繞制后依次用空氣和水進行冷卻，使其收縮產(chǎn)生預緊力，可保證每層鋼帶貼緊；各層鋼帶之間靠凹槽和凸肩相互嚙合(見圖4-4（b）)，纏繞層能承受一部分由內壓引起的軸向力。五、繞帶式圖4-4（b）型槽鋼帶結構示意圖圖4-4（a）型槽繞帶式筒體缺點：鋼帶需由鋼廠專門軋制，尺寸公差要求嚴，技術要求高；為保證鄰層

鋼帶能相互合，需采用精度較高的專用纏繞機床。優(yōu)點：筒體具有較高的安全性，機械化程度高，材料損耗少，且由于存在

預緊力，在內壓作用下，筒壁應力分布較均勻。圖4-4（c）鋼帶錯繞式筒體（2）扁平鋼帶傾角錯繞式

中國首創(chuàng)的一種新型繞帶式筒體。結構：內筒厚度約占總壁厚的1/6～1/4，采用“預應力冷繞”和“壓棍預彎貼緊”技術，環(huán)向以15°~30°傾角在薄內筒外交錯纏繞扁平鋼帶。鋼帶寬約80～160mm、厚約4～16mm，其始末兩端分別與底封頭和端部法蘭相焊接。優(yōu)點：相比其它類型厚壁筒體，鋼帶錯繞式筒體結構具有設計靈活、

制造方便、可靠性高、在線安全監(jiān)控容易等優(yōu)點。筒體強度設計單層圓筒體多層厚壁圓筒中徑公式（薄壁筒體）Mises屈服公式（厚壁筒體）Faupel爆破公式（厚壁筒體）內壓圓筒的強度設計

K≤1.5（工程）1、厚度計算式：（4-13）Pc≤0.4[σ]tφ式中δ—計算厚度，mm；Pc—計算壓力，MPa；φ—焊接接頭系數(shù)。條件：由中徑公式一、單層筒體（薄壁筒體）2、應力強度判別式：（對筒體進行強度校核，已知筒體尺寸Di、δn或δe）（4-14）

式中δe—有效厚度，δe=δn–C，mm；

δn—名義厚度，mm；

C—厚度附加量，mm；

σt—設計溫度下圓筒的計算應力，MPa。3、筒體最大允許工作壓力[pw]：MPa（4-15）

式（4-13）由筒體的薄膜應力按最大拉應力準則導出的，用于一定厚度范圍，如厚度過大，則由于實際應力情況與應力沿厚度均布的假設相差太大而不能使用。按照薄殼理論，（4－13）僅能在δ/D≤0.1即K≤1.2范圍內適用。但作為工程設計，采用了最大拉應力準則，且在確定許用應力時引入了安全系數(shù)，厚度范圍擴大到在最大承壓（液壓試驗）時圓筒內壁的應力強度在材料屈服點以內。4、說明：Pc0.4[σ]tφ(K≤1.5)隨徑比K的增大而增大?！?.25當K=1.5時，比值：內壁實際應力強度是按中徑公式計算的應力強度的1.25倍。形狀改變比能屈服失效判據(jù)計算出的內壓厚壁筒體初始屈服壓力與實測值較為吻合，應力強度能較好地反映厚壁筒體的實際應力水平，應力強度（認為是真實的）應力強度（與中徑公式相對應）=

TSG21《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，常規(guī)設計方法的ns≥1.5、nb≥2.7?？紤]到厚壁壓力容器用鋼的屈強比大于0.58，許用應力主要取決于鋼材的抗拉強度，相對于屈服強度的安全系數(shù)ns≥0.58×2.7=1.57。液壓試驗（pT=1.25p）時，筒體內表面的實際應力強度最大為許用應力的1.25×1.25=1.56倍（<1.57），說明筒體內表面金屬仍未達到屈服點，處于彈性狀態(tài)。pc=0.4[σ]tφ當K=1.5時，δ=Di（K-1）/2=0.25Di，代入式（4-13）得這就是式（4-13）的適用范圍pc≤0.4[σ]tφ的依據(jù)所在。

1、Mises屈服公式：與Mises屈服失效判據(jù)相對應的全屈服壓力可按式（2-52）計算。將式（2-52）代入式（4-7），得圓筒計算厚度：（4-16）nso＝2.0～2.2。ASMEⅧ-3采用式（4-16）。單層厚壁筒體（計算壓力大于0.4[σ]tφ），常采用塑性失效設計準則或爆破失效設計準則進行設計。二、單層筒體（厚壁筒體）2、Faupel爆破公式：采用爆破失效設計準則，用Faupel公式計算爆破壓力，將式（2-53）爆破壓力計算式，代入式（4-8）爆破設計準則，圓筒計算厚度：（4-17）

nb＝2.5～3.0日本的《超高壓圓筒容器設計規(guī)則》和中國的《超高壓容器安全監(jiān)察規(guī)程》等采用式（4-17）。多層厚壁筒體在制造中——施加預應力。壁厚方向應力分布趨向于均勻，從而提高筒體的彈性承載能力。但由于結構和制造上的原因，定量地控制預應力是困難的。設計計算：不考慮預應力，作強度儲備用。只有壓力很高時，才考慮預應力。多層包扎式圓筒繞帶式圓筒例如：三、多層厚壁筒體1、預應力（內壓）——筒體內壁應力降低，外壁應力外壁應力

2、（熱套式、多層包扎式、繞板式、鋼帶錯繞式）厚度計算方法與單層厚壁圓筒基本相同，即計算壓力不超過0.4[σ]tφ時，按式（4-13）計算。

不同：許用應力用組合許用應力代替。

（4-18）多層圓筒的組合許用應力（4-13）試算過程厚度計算式式中δi—多層圓筒內筒的名義厚度，mm；

δo—多層圓筒層板或鋼帶層的總厚度，mm；[σi]t—設計溫度下多層圓筒內筒材料的許用應力，MPa；

[σo]t—設計溫度下多層圓筒層板或帶層材料的許用應力，對扁平鋼

帶傾角錯繞式筒體，應乘以鋼帶傾角錯繞引起的環(huán)向削弱系

數(shù)0.98，MPa；

φi—多層圓筒內筒的焊接接頭系數(shù)，一般取φi=1.0；

φo—多層圓筒層板層或帶層的焊接接頭系數(shù)，取φo=1.0。3、熱應力——不考慮。較高溫度操作時，有熱應力，但有保溫設施，且嚴格控制加熱和冷卻速度常規(guī)設計不考慮熱應力。

設計技術參數(shù)設計壓力設計溫度厚度及厚度附加量焊接接頭系數(shù)許用應力設計技術參數(shù)的確定——設定的容器頂部的最高壓力，與相應的設計溫度一起作為設計載荷條件，其值不得低于工作壓力。設計壓力應視內壓或外壓容器分別取值。工作壓力：容器在正常工作過程中頂部可能產(chǎn)生的最高壓力。內壓容器：裝安全閥——設計壓力不低于安全閥整定壓力，通常取1.05～1.10倍最高工作壓力。裝爆破片——

設計壓力不低于爆破片的設計爆破壓力。1、設計壓力盛裝液化氣體容器——在規(guī)定的裝量系數(shù)范圍內，與體積無關，僅取決于溫度的變化，設計壓力與環(huán)境的大氣溫度相關；可靠的保冷設施能保證容器內溫度不受大氣環(huán)境溫度的影響。設計壓力根據(jù)工作條件下可能達到的最高金屬溫度確定。外壓容器：（略）計算壓力——是指在相應設計溫度下，用以確定元件厚度

的壓力，其中包括液柱靜壓力。通常：計算壓力=設計壓力+液柱靜壓力。當液柱靜壓力小于5%設計壓力時，可忽略不計。GB150.3規(guī)定：設計溫度低于-20℃的碳素鋼和低合金鋼制容器，以及設計溫度低于-196℃的奧氏體型鋼材制容器屬于低溫容器。——指容器在正常情況下，設定元件的金屬溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）。設計溫度與設計壓力一起作為設計載荷條件。金屬溫度≥0℃，設計溫度≥元件金屬可能達到的最高溫度；金屬溫度＜0℃，設計溫度≤元件金屬可能達到的最低溫度。2、設計溫度設計溫度與設計壓力存在對應關系。當壓力容器具有不同的操作工況時，應按最苛刻的壓力與溫度的組合設定容器的設計條件，而不能按其在不同工況下各自的最苛刻條件確定設計溫度和設計壓力。注解：厚度計算厚度δ設計厚度δd名義厚度δn有效厚度δe成型厚度計算厚度（δ）——按有關公式采用計算壓力得到的厚度。必要時還應計入其它載荷對厚度的影響。設計厚度（δd）——計算厚度與腐蝕裕量之和。δd＝δ＋C2名義厚度（δn）——設計厚度加上鋼材厚度負偏差后向上圓整至鋼材

標準規(guī)格的厚度，即標注在圖樣上的厚度。δn＝δd＋C1＋Δ3、厚度及厚度附加量有效厚度（δe）——名義厚度減去鋼材負偏差和腐蝕裕量。δe＝δn－C1－C2厚度附加量（C）——由鋼材的厚度負偏差C1和腐蝕裕量C2組成，不包括加工減薄量C3。C=C1+C2成形后厚度——制造廠考慮加工減薄量并按鋼板厚度規(guī)格

第二次向上圓整得到的坯板厚度，再減去實際加工減薄量后的厚度，也為出廠時容器的實際厚度。一般，成形后厚度大于設計厚度就可滿足強度要求。加工減薄量——根據(jù)具體制造工藝和板材實際厚度由制造廠而并非由設計人員確定。碳素鋼、低合金鋼容器：δmin不小于3mm高合金制容器：δmin不小于2mm最小厚度（δmin）——考慮容器的剛性；制造、運輸、安裝；不包括腐蝕裕量※圖4-5厚度關系示意圖鋼板或鋼管厚度負偏差C1：按照相應鋼材標準的規(guī)定選取按GB/T709《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》的規(guī)定，熱軋鋼板厚度偏差可分為Ｎ、A、B、C四個類別。其中N類正負偏差相等；A類按公稱厚度規(guī)定負偏差；B類固定負偏差為0.3mm；C類負偏差為零，按公稱厚度規(guī)定正偏差。厚度負偏差不僅與鋼板厚度有關，還隨著鋼板寬度的變化有所不同。Q245R、Q345R和16MnDR等壓力容器常用鋼板的負偏差均為-0.30mm。腐蝕裕量＝均勻腐蝕速率×容器設計壽命腐蝕裕量只對防止均勻腐蝕破壞有意義；對于應力腐蝕、氫脆和縫隙腐蝕等非均勻腐蝕，效果不佳，應著重選擇耐腐蝕材料或進行適當防腐蝕處理。腐蝕裕量——防止容器受壓元件由于均勻腐蝕、機械磨損而導致厚度削弱減薄。與腐蝕介質直接接觸的筒體、封頭、接管等受壓元件，均應考慮材料的腐蝕裕量。碳素鋼、低合金鋼：C2不小于1mm不銹鋼：介質腐蝕性極微時，可取C2=0焊縫缺陷夾渣、未熔透、裂紋、氣孔等焊縫熱影響區(qū)晶粒粗大母材強度或塑性降低焊縫為容器薄弱環(huán)節(jié)——焊縫金屬與母材強度的比值，反映容器強度受削弱的程度。焊接接頭形式無損檢測要求長度比例影響因素4、焊接接頭系數(shù)屈服點ReL（或Rp0.2

、Rp1.0）、抗拉強度Rm、持久強度RD、蠕變極限Rn等——根據(jù)失效類型確定極限值。材料強度失效判據(jù)的極限值用不同的方式表示：——容器殼體、封頭等受壓元件的材料許用強度，取材料強度失效判據(jù)的極限值與相應的安全系數(shù)之比。蠕變溫度以下——最低抗拉強度Rm、常溫或設計溫度下的屈服點ReL或ReLt

三者除以各自的安全系數(shù)后所得的最小值，作為許用應力，以抗拉強度和屈服點同時來控制許用應力。5、許用應力（4-19）同時考慮基于高溫蠕變極限或持久強度的許用應力，即或（4-20）

韌性材料——按彈性失效設計準則——以屈服強度為基準；防止斷裂失效——同時用抗拉強度作為計算許用應力基準。原因

碳素鋼或低合金鋼的設計溫度>420℃，鉻鉬合金鋼設計溫度>450℃，奧氏體不銹鋼設計溫度>550℃時，有可能產(chǎn)生蠕變：安全系數(shù)——保證受壓元件強度有足夠的安全儲備量。取值：應力計算的精確性、材料性能的均勻性、載荷的確切程度、制造工藝，使用管理的先進性以及檢驗水平等因素有著密切關系。安全系數(shù)的確定，需要理論分析和實踐經(jīng)驗積累。GB/T150——查表——鋼板、鋼管、鍛件以及螺栓材料得許用應力值，依據(jù)——表4-4為鋼材（除螺栓材料外）許用應力的確定依據(jù)。螺栓許用應力——依據(jù)材料不同狀態(tài)和直徑大小而定，保證密封性，嚴格控制螺栓的彈性變形。目錄

4.1概述

4.2設計準則

4.3常規(guī)設計

4.4分析設計

4.5疲勞分析

4.6壓力容器設計技術進展目錄4.3.3封頭設計4.3.4密封裝置設計4.3.5開孔和開孔補強設計4.3.6支座和檢查孔4.3.7安全泄放裝置4.3.2圓筒設計4.3.1概述4.3.8焊接結構設計4.3.9壓力試驗圓筒設計2工程設計方法主要內容加強圈的設計計算有關設計參數(shù)的規(guī)定圓筒軸向許用壓應力的確定圖算法的原理外壓圓筒設計解析法圖算法外壓圓筒設計

①假設筒體的名義厚度

；②計算有效厚度；③求出臨界長度Lcr，將圓筒的外壓計算長度L與Lcr進行比較，

判斷圓筒屬于長圓筒還是短圓筒；④然后根據(jù)圓筒類型，選用相應公式計算臨界壓力

；⑤再選取合適的穩(wěn)定性安全系數(shù)m，計算許用外壓[p]=⑥比較設計壓力p和[p]的大小。若p小于等于[p]且較為接近，則假設的名義厚度

符合要求；否則應重新假設，重復以上步驟，直到滿足要求為止。特點：反復試算，比較繁瑣。一、解析法求取外壓容器許用壓力假設：圓筒僅受徑向均勻外壓，而不受軸向外壓，與圓環(huán)一樣處于單向（周向）應力狀態(tài)。中的中面直徑D、厚度t相應改為外徑Do、有效厚度

，得：將式（2-92）（2-97）長圓筒臨界壓力二、圖算法原理：（標準規(guī)范采用）不論長圓筒或短圓筒，失穩(wěn)時周向應變（按單向應力時的虎克定律）為：（4-21）短圓筒臨界壓力圓筒在

作用下，產(chǎn)生的周向應力為避開材料的彈性模量E（塑性狀態(tài)為變量），采用應變表征失穩(wěn)時的特征

長圓筒（4-22）短圓筒（4-23）（4-24）將長、短圓筒的

公式分別代入應變式中，得徑向受均勻外壓，徑向和軸向受相同外壓的圓筒：與材料彈性模量E無關，對任何材料的筒體都適用。（1）幾何參數(shù)計算圖：——A關系曲線令外壓應變系數(shù)A=，以A為橫坐標，

為縱坐標，

為參量繪成曲線；見圖4-6。長圓筒——與縱坐標平行的直線簇，失穩(wěn)時外壓應變系數(shù)A與L/Do無關；短圓筒——斜平行線簇，失穩(wěn)時外壓應變系數(shù)A與

、

都有關。圖4-6外壓應變系數(shù)A曲線（適用于所有材料）（2）厚度計算圖（不同材料）：B—A關系曲線代入式（4-21）整理得：（4-21）即由

、——圖4-6——外壓應變系數(shù)A——找出A與

的關系——判定筒體在操作外壓力下是否安全。臨界壓力

，穩(wěn)定性安全系數(shù)m，許用外壓力[p]，故查令B=，GB150，ASMEⅧ-1均取m=3，代入上式得：（4-25）外壓應力系數(shù)B和應變系數(shù)A一起反映了材料的應力應變關系。圖4-7～圖4-9為幾種常用鋼材的外壓應力系數(shù)B曲線。溫度不同，曲線不同；直線部分表示材料處于彈性，屬于彈性失穩(wěn)，B與A成正比，由A查B時，若與曲線不相交，則屬于彈性失穩(wěn)，

可由，求取B。由該試建立B與A的關系圖圖4-7Q345R外壓應力系數(shù)B曲線圖4-8S30408外壓應力系數(shù)B曲線圖4-9S31608外壓應力系數(shù)B曲線失穩(wěn)失穩(wěn)強度失效外壓圓筒（

）薄壁圓筒（≥20）

＝20厚壁圓筒（

＜20）三、工程設計方法c.由材料選——外壓應力系數(shù)B曲線（圖4-7～圖4-9）1、≥20薄壁筒體，穩(wěn)定性校核：a.假設名義厚度

，令

，算出

和

；b.以

、

值由圖4-6查取A值，若值大于50，則用=50查取A值；B按式（4-26）計算許用外壓[p]：A在材料線左方時，

，按式（4-27）計算許用外壓[p]：（4-27）系數(shù)A設計溫度根據(jù)溫度對應的E線在圖上沒有時，插值（4-26）圖4-10圖算法求解過程d.若pc≤[p]且較接近——則假設的名義厚度

合理若pc＞[p]——假設

不合理，重設，直到滿足然后查B，若有交點，則從圖得B值；若無交點，則按下試計算：求取B值的計算步驟同≥20的薄壁筒體；但對

＜4.0的筒體，應按式（4-28）求A值。（4-28）

1、

＜20薄壁筒體防止圓筒的失穩(wěn)和強度失效，厚壁筒體的許用外壓力必須取式（4-29）和式（4-30）中的較小值。為滿足強度，厚壁圓筒的許用外壓力應不低于式（4-30）的計算值。（4-30）式中σo—應力，Mpa，為滿足穩(wěn)定性，厚壁圓筒的許用外壓力應不低于式（4-29）的計算值。（4-29）解題思路小結：

設

，由、

ABσcrεcr[P]幾何算圖外壓應力系數(shù)曲線（1）假設

，令

，按式（4-31）計算系數(shù)A（4-31）（2）選用相應材料的外壓應力系數(shù)曲線查取B，B值即為[σ]cr。若A值落在設計溫度下材料線的左方，則表明筒體屬于彈性失穩(wěn)，

可直接由式（4-32）計算。（4-32）設筒體最大許用壓應力[σ]cr=B，求系數(shù)B步驟如下：四、圓筒體軸向許用壓應力的確定設計參數(shù)設計壓力穩(wěn)定性安全系數(shù)外壓計算長度等五、有關設計參數(shù)的規(guī)定定義與內壓容器相同，取值方法不同。外壓容器設計壓力：考慮正常工作情況下可能出現(xiàn)的最大內外壓力差；真空容器設計壓力：按承受外壓考慮，當裝有安全控制裝置時（如真空泄放閥），設計壓力取1.25倍最大內外壓力差或0.1MPa兩者中的較小值；當無安全控制裝置時，取0.1MPa。帶夾套容器:考慮可能出現(xiàn)最大壓差的危險工況，如內容器突然泄壓而夾套內仍有壓力時所產(chǎn)生的最大壓差。（1）設計壓力①由于長、短圓筒的臨界壓力計算公式，是按理想的無初始不圓度求得的。實際上，圓筒在經(jīng)歷成型、焊接或焊后熱處理后存在各種原始缺陷，如幾何形狀和尺寸的偏差、材料性能不均勻性等，都會直接影響臨界壓力計算值的準確性；②加上受載可能不完全對稱，因而根據(jù)線性小撓度理論得到的臨界壓力與試驗結果有一定誤差。原因：結論:為此，在計算許用設計外壓時，必須考慮一定的穩(wěn)定性安全系數(shù)m。（2）穩(wěn)定性安全系數(shù)特殊要求：